Elektrisch leitfähige Kalanderfolien auf Silikonbasis

Ausgangssituation

Elektrisch leitfähige Silikon­schichten weisen aufgrund ihrer gleich­bleibend hohen Flexibilität über einen weiten Temperatur­bereich sowie ihrer hohen Temperatur­beständigkeit und Flamm­widrigkeit für viele Anwendungs­bereiche vorteilhafte Eigenschaften auf. Sie sind beispielsweise geeignet, strom­führende metallische Komponenten in Leicht­bau­anwendungen sowie Wearables zu substi­tuieren. Hohe spez. Leitfähigkeiten (>75 S/m) bei niedrigem Partikel­gehalt (<5 m%) lassen sich bisher nur mit niedrig­viskosen, lösemittel­haltigen Silikon­massen erzielen, die allerdings nur für die Herstellung dünner Schichten <150 µm geeignet sind. Mit Verarbeitungs­verfahren wie der Extrusion oder dem Kalandrieren, die in der Thermo­plast­verarbeitung üblich sind, könnten dickere Schichten mit hoher Leistung hergestellt werden. Allerdings führt die Einarbeitung der erforderlichen Nanopartikel über Extrusion aufgrund der auftretenden höheren Scherraten zu einer partiellen Zerstörung der lang­gestreckten CNT-Partikel­struktur, wodurch ein im Vergleich zur Streich­beschichtung deutlich höherer CNT-Gehalt (>15 %) für die angestrebte hohe Leit­fähigkeit erforderlich ist.

Projektziel

Ziele des FuE-Vorhabens waren die Entwicklung eines scherungs­armen Verarbeitungs­prozesses und einer geeigneten Formulierung, die es ermöglichen, Carbon­nano­partikel mit hohem Aspekt­verhältnis zerstörungsfrei und ohne Lösemittel­zusatz in Silikon­massen einzuarbeiten, um daraus im Kalander­verfahren elastische, elektrisch leitfähige Folien mit hohen Schicht­dicken herzustellen. Dabei wurde ein Gehalt leit­fähiger Partikel um 5 m% angestrebt.

Lösungsweg

Zur Realisierung der Ziele wurden anstelle der für den Kalander­prozess üblichen Fest­silikone (HCR) Flüssig­silikone (LSR) verwendet. Die Einarbeitung der Carbon­nano­partikel, vorzugsweise multi walled Carbon­nano­tubes (MWCNT), in die niedrig­viskosen LSR durch Kalandrieren bewirkt eine drastische Erhöhung der Viskosität, sodass hoch­viskose Massen mit einer schmelze­ähnlichen Rheologie resultieren, die auf einem Kalander zu Folien verarbeitbar sein sollten.

Die Entwicklung wurde in 3 Schwerpunkten bearbeitet:

• Entwicklung von CNT-haltigen LSR-Rezepturen, die für die Verarbeitung zu Folien am Kalander geeignet sind

• Entwicklung geeigneter Prozessparameter für die Herstellung von Kalanderfolien aus den CNT-haltigen LSR-Massen

• Charakterisierung der Erzeugnisse hinsichtlich der elektrischen und mechanischen Eigenschaften

Ergebnisse | Nutzen

Im Ergebnis der Arbeiten ist es gelungen, Flüssig­silikone mit MWCNT und weiteren Verarbeitungs­hilfs­mitteln zu kalandrier­fähigen Compounds aufzubereiten, die eine Schicht­bildung mit Dicken >200 µm ermöglichen. Für eine zerstörungs­freie Einarbeitung der MWCNT in die Silikon­masse unter Ausbildung eines elektrisch leitfähigen Netz­werkes wurde eine Aufbereitung mittels Kneter erarbeitet. Es wurden Compounds mit 3 m-% bis 7 m-% MWCNT-Gehalt hergestellt und im kontinuierlichen Kalander­verfahren zu Beschichtungen und Folien weiter­verarbeitet. Anders als bei Thermo­plasten muss bei der Verarbeitung der LSR das Temperatur­regime der Walzen von niedriger Temperatur zur Schicht­bildung auf eine hohe Temperatur zur Vulkanisation abgestimmt werden.

Mit dem neuartigen Verarbeitungs­prozess von MWCNT-haltigen LSR-Compounds konnten elektrisch leitfähige Schichten mit einer spez. Leit­fähigkeit >110 S/m und einer Schichtdicke von 300-550 µm hergestellt werden. Schichten mit 500 µm Dicke, 7 m% MWCNT und einem Elektroden­abstand von 10 cm wiesen bei 23 V eine Flächenleistung von 3975 W/m² auf. Diese ist ausreichend, um die Schicht um ca. 140 K zu erwärmen.

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Danksagung

Das Forschungs­vorhaben „Elektrisch leitfähige Kalander­folien auf Silikon­basis“, Reg.-Nr.: 49MF190038 wurde anteilig vom Bundes­ministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages innerhalb des Förderprogramms „FuE-Förderung gemeinnütziger externer Industrie­forschungs­einrichtungen – Innovations­kompetenz (INNO-KOM) – Modul Markt­orientierte Forschung und Entwicklung (MF)“ über den Projekt­träger EuroNorm GmbH gefördert. Wir bedanken uns für die gewährte Unter­stützung.